Лекция №2

Механические характеристики

Для полной оценки качества радиоматериалов необходимо знать не только электрические, но и механические характеристики, определяющие их механическую прочность.

Разрушающее напряжение при растяжении σ_Р (Па) вычисляют по формуле σ_р=P_Р /S₀, где P_Р – разрушающее усилие при растяжении (разрыве) образца материала, Н; S₀– площадь поперечного сечения образца материала до его разрушения, м².

Относительное удлинение при растяжении е_Р (%) вычисляют по формуле е_Р = (l_Р – l₀)100/l₀ , где l₀ и l_Р – длины образца материала соответственно до и после растяжения, м. Относительное удлинение материала при растяжении дает возможность оценить его растяжимость и пластичность. Так, у резины е_Р = 250 ÷ 300%, металлических проводников

е_Р = 15÷20%, у пластмасс е_Р = 2÷5%.

Для измерения и используют образцы материалов определенных размеров и формы. Образец зажимают в стальных зажимах машины для испытаний на растяжение.

Разрушающее напряжение при сжатии (Па) измеряется на образцах материалов определенных размеров и формы и вычисляется по формуле

σ_С = P_С /S₀, где P_С – разрушающее усилие при сжатии образца материала, Н; S₀ - площадь поперечного сечения образца материала до его разрушения, м².

Разрушающее напряжение при статическом изгибе σ_И определяют приложением изгибающего усилия к середине испытуемого образца материала, покоящегося на двух неподвижных стальных опорах. Разрушающее напряжение материала при статическом изгибе вычисляют по формуле σ_И = P_ИL /(bh²), где P_И – изгибающее усилие, Н; L– расстояние между опорами, м; b – ширина образца, м; h – толщина образца, м.

Ударная вязкость а - отношение работы ΔА, затраченной на разруше-ние образца материала, к площади его поперечного сечения S₀: а = ΔА/S₀. Для определения ударной вязкости материала используют удар по образцу маятником, поднятым на определенную высоту. Ударная вязкость позволяет судить о степени хрупкости материала. Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупок материал. Так, у радиокерамических материалов, отличаю-щихся хрупкостью, а = 1,8÷4,5 кДж/ м² , в то время, как у стеклотекстолитов а = 100÷150 кДж/ м².

Эта характеристика имеет большое значение для материалов, применяемых в бортовом радиооборудовании, где детали подвергаются ударным нагрузкам.

Тепловые характеристики

Для полной оценки качества радиоматериалов кроме механических и электрических необходимо знать их тепловые характеристики. Большинство радиоматериалов, особенно органических диэлектриков, очень чувствительны к высоким и низким температурам.

Температура плавления (°С) определяется у материалов крис-таллического строения – металлов, полупроводников и диэлектриков (германий, кремний, слюда, парафин и др.).

Температура размягчения (°С) определяется у материалов аморфного строения (компаунды, стекла, многие полимерные диэлектрики). Материал кристаллического строения по достижении температуры плавления перехо-дит из твердого в жидкое состояние. У материалов аморфной структуры пе-реход из твердого состояния в жидкое совершается постепенно в широком интервале температур, поэтому приходится пользоваться условной температурой размягчения аморфного материала, которая определяется разными способами.

Если температура плавления кристаллического материала или размягчения аморфного равна, к примеру, 85°С, его нельзя применять в ра-диоаппаратуре, где он может нагреться даже до более высокой температуры.

Коэффициент температурного расширения КТР, определяющий изме-нение первоначальной длины материала при изменени его температуры от Т₀ до Т₁ (К^-1), вычисляют по формуле КТР = (l₁ – l₀) / [ l₀ (Т₁ - Т₀)], где l₀ и l₁ – длина материала соответственно при начальной Т₀ и конечной Т₁ температурах.

Коэффициент температурного расширения КТР имеет большое практическое значение, например, при герметизации узлов и компонентов радиоаппаратуры. Так, нельзя соединять друг с другом детали с резко отли-чающимися КТР. Наименьшим значением КТР обладает кварцевое стекло (5,5·10^-6/°С), наибольшим – некоторые полимерные диэлектрики, например полиэтилен и поливинилхлорид (150·10^-6/°С).

Коэффициент теплопроводности λ позволяет оценить способность материала проводить теплоту от более нагретой её поверхности к менее наг-ретой. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К), вычисляют по формуле

λ = Ph / [S (Т₂ – Т₁) τ], где Р – мощность теплового потока, проходящего за время τ, с, через поверхность S стенки заданного материала, м², толщиной h, м; (Т₂ - Т₁) – разность температур поверхностей образца материала.

Известно, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы [(68÷415Вт/(м·К)], значительно меньшей – твердые органические диэлектрики [(0,09÷0,35Вт/(м·К)].

Теплостойкость – тепловая характеристика органических полимерных диэлектриков. Она позволяет оценить их стойкость к кратковременному нагреву при одновременном воздействии на образец материалов механической нагрузки. Теплостойкость определяют различными методами (Мартенса, Вика).

Нагревостойкость – характеристика, определяющая способность диэлектрика длительно выдерживать предельно допустимую температуру без заметного снижения механических, электрических и других характеристик. Установлены семь классов нагревостойкости электроизоляционных материалов (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Класс нагрево- стойкости	Предельная температура °С	Примерный перечень диэлектриков, относящихся К данному классу нагревостойкости
Y	90	Полистирол, полиэтилен, бумаги, картоны, хлопчатобумажные ткани
A	105	Гетинакс, текстолит, хлопчатобумажные и шелковые ткани, пропитанные лаком
E	120	Лавсановые пленки, стеклоткани на масляных лаках, пластмассы с неорганическими наполнителями
B	130	Пластмассы с нагревостойкими неорганическими наполнителями
F	155	Пластмассы на основе полиуретана, эпоксидов с наполнителями из слюды, асбеста, стекловолокна
H	180	Кремнийорганические диэлектрики
G	Выше 180	Слюда, радиокерамические материалы, фторопласт-4, полиамиды

Холодостойкость – характеристика, позволяющая оценить стойкость материалов к низким температурам. Малой стойкостью к низким темпе-ратурам отличаются многие полимерные диэлектрики, резины и др. При охлаждении до низких температур (-60°С и ниже) эти материалы терют механическую прочность и растрескиваются. Поэтому холодостойкость диэ-лектриков определяют по степени снижения ими механической прочности.

Физико-химические характеристики

Влагопоглощаемость w – свойство материала, находящегося во влажной атмосфере, поглощать влагу. Для определения влагопоглощаемости пластины диэлектрика определенного размера вначале взвешивают, а затем помещают во влажную атмосферу при 20°С; по истечении 24, 48 ч и более образцы извлекают и снова взвешивают. Влагопоглощаемость (% по массе) вычисляют по формуле w= (G₂ – G₁ )100/G₁, где G₁ – масса образца мате-риала в исходном состоянии, г; G₂ – масса образца материала после пребывания во влажной атмосфере в течение 24, 48 ч и более, г.

Тропическая стойкость (тропикостойкость) – стойкость радиома-териалов к атмосферным воздействиям в странах с тропическим климатом. В условиях влажного тропического климата на незащищенные радиоматериалы могут воздействовать: высокая температура окружающего воздуха (45÷55°С); резкое изменение температуры в течение суток; высокая влажность воздуха (90÷95%); солнечная радиация; воздух, содержащий соли и пыль; плесневые грибки, повреждающие многие материалы органического происхождения; насекомые, повреждающие органические диэлектрики. Пе-речисленные факторы оказывают разрушающее действие на многие полимерные диэлектрики, пластмассы и даже металлические детали.

Наиболее тропикостойкими являются материалы неорганического происхождения – радиокерамика, ситаллы и некоторые полимерные диэлектрики (кремнийорганические, фторорганические и др.).

Радиационная стойкость – характеристика, позволяющая оценить стойкость радиоматериалов к воздействиям ионизирующих излучений: α, β, γ, потоков нейтронов и др. Ионизирующие излучения вызывают структурные изменения в диэлектриках органического и неорганического происхождения, а также в полупроводниках и проводниках. Результатом этого является изменение первоначальных свойств и характеристик материалов. Особенно сильное воздействие ионизирующее излучение оказывает на органические диэлектрики, часто вызывая их разрушение. Однако при небольших дозах облучения у некоторых органических диэлектриков (полиэтилен, пропилен) улучшается их структура и основные характеристики. Особенно сильным излучениям подвергаются узлы радиоустройств и радиоматериалы летательных аппаратов (ракеты, космические корабли и др.).

Радиационную стойкость радиоматериала к данному типу излучения определяют облучением различной интенсивности при длительном испытании образцов материала. Степень воздействия облучения на материал устанавливают по потере массы, изменению механических и электрических характеристик.